城市轨道交通弱电不间断供电系统综合评价指标体系研究.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation102023 年 第 18 期文章编号：2095-6835（2023）18-0010-04城市轨道交通弱电不间断供电系统综合评价指标体系研究李舜康1，郭 阳1，黄学良2（1.苏州轨道交通集团有限公司，江苏 苏州 215133；2.东南大学，江苏 南京 210096）摘要：不间断供电系统（Uninterruptible Power Supply，UPS）不仅影响着地铁的可靠运行和服务质量，而且在城市轨道交通弱电系统中处于非常重要的地位。然而当前 UPS 运行中存在着电能质量等问题，导致了能源的大量损耗和浪费，因而有必要建立适当的评价指标体系对其进行评价，以提高系统的整体经济性和可靠性。首先从蓄电池、电能质量和 UPS所带负荷 3 个方面建立了 UPS 综合评价体系，并使用改进的熵权法对评价指标进行加权赋权，从而进一步提高评价指标权重评价的客观性。最后将该方法用于苏州轨道交通 3 号线通信弱电 UPS 的评价，计算结果证明了所提方法的有效性。关键词：综合评价指标体系；改进熵权法；不间断供电系统；城市轨道交通弱电系统中图分类号：U239.5；TM912文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.18.003城市轨道交通弱电系统主要由通信、综合监控、自动收费和乘客信息系统等部分组成，影响着乘客服务和地铁运营安全1-3。当前，城市轨道交通弱电系统大多采用不间断电源提供集中供电，以保证弱电系统及其设备的高可靠性和安全性4。但在目前的实际运行中，地铁不间断供电系统普遍存在电能质量差、三相负载不均等问题3，造成较大的损耗和浪费，也严重影响电池等设备的寿命2。因此，如何找到一种城市轨道交通弱电不间断供电系统的优化运行方案，以全面提高系统的经济性和可靠性，是亟需解决的难题。实现 UPS 的运行优化首先需要建立有效的评价体系，合理评价其运行状态。但当前针对城市轨道交通及其弱电系统的研究大多为定性评价，缺乏客观合理的定量标准。参考文献5指出地铁安全管理的评价必须考虑弱电 UPS 的运行，但没有研究 UPS 的具体评价指标。文献6从经济性和安全性 2 个方面对 UPS 电源集成方案进行了定性分析，但尚未建立评价指标体系。UPS 的重要组成部分之一是储能电池，目前对储能电池的评价研究较多。针对电力通信的工作环境和运行方式，文献7提出了一种判断电池运行状态的方法。文献8使用短期恒流放电曲线来评估配电自动化系统中的电池健康状态（SOH）指标。文献9采用层次分析法对影响动力电池组安全性的关键因素的指标权重进行分析，结合模糊评价得到电池安全性的综合评价结果。文献10结合电池检测的各种指标，得到性价比最高的电池。但是，仅从电池来评价 UPS 是比较片面的，考虑到 UPS 在一定程度上与配电系统相似，相应的配电系统评价指标和方法可供参考。在这方面，层次分析法得到了广泛的应用。参考文献11使用这种方法来评估分布式配电网络的经济性、服务质量、安全性和环境影响。参考文献12建立了线路间潮流控制器运行方案的评估结构。然而，基于传统层次分析法的权重计算具有很强的主观性，文献13-14采用灰色相关分析方法对它进行了改进。但是在计算相关系数时，分辨率系数的大小会在一定程度上影响最终的权重结果，显得较为主观。整体来看，缺乏对地铁弱电UPS 系统的完整量化评价研究。针对上述问题，本文提出了城市轨道交通弱电不间断供电系统综合评价指标体系。首先，利用层次分析法从蓄电池、电能质量和 UPS 所带负荷 3 个方面提出了不间断供电系统的评价指标体系。然后利用熵权法对原有的权重计算方法进行修改，得到指标的综合权重。最后以苏州轨道交通 3 号线通信系统不间断供电系统为例，验证了评价方法的有效性和合理性。1基于层次分析法的地铁弱电 UPS 综合评价指标体系城市轨道交通弱电不间断供电系统15评价指标体系一方面能够评估车站在某段时间内的实际运行情况，从而能够找出薄弱环节，为后期 UPS 负荷整合规划提供决策意见；另一方面，可以针对不同运行情况进行横向对比评价16，从而发现各个状况下的优点与缺点，弥补不足。首先，蓄电池作为不间断供电系统的关键储能设备，其运行状态是评价指标体系组成不可或缺的部分。其次，UPS 所带负荷对电能质量的要求较高，降低谐波电流等可以减少损耗和投资，减缓元件的老化等；同时也能减小对电网的污染，提升系统整体的运行效率。最后，UPS 各项负荷实际运行功率和额定功率的比值差异较大，有必要比较实际的三Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期11相运行负载率等情况。为此，本文综合以上 3 个方面指标，采用层次分析法（AHP）建立评估体系，如图 1所示。图 1 中的属性间关系围绕应用效果评分 g 这一决策目标，呈树状结构。其中，蓄电池评价指标 a、电能质量评价指标 b 与 UPS 所带负荷评价指标 c 构成与决策目标直接相关的下一层子属性。而电池温度极差、电池电压极差、电池电压标准系数差又构成与蓄电池评价指标 a 相关的下一层子属性。评价图中所列指标值的优劣，还需要针对不同的指标建立不同的评分评价标准，以直观地反映评价指标的具体情况17。同时，考虑到各个指标的含义和计算公式不同，维度和数量级也不同，有必要先对各个指标进行标准化处理。考虑地铁 UPS 的实际发展和各指标的具体实际数据，本文将指标分为成本型和适中型，采用 1100 的尺度18得到指标值与得分的对应关系，如表 1 所示。根据表中的指标类型以及指标分值与具体值的关系，使用函数拟合工具对指标评分标准进行曲线拟合，得到各指标对应的评分函数，如表 2 所示。图 1城市轨道交通弱电 UPS 评价体系表 1指标类型与评分标准设置指标类型评分100806040200BTD/成本型0468910BVD/V成本型00.200.300.350.400.50SDOBV/（%）成本型00.100.130.170.200.23CO/Hz适中型00.040.080.120.160.20TPOUR/（%）成本型00.51.52.53.54.0CDR/（%）成本型01020304050VO/（%）适中型01.22.53.05.010.0LRD（AB）/（%）适中型026102030LRD（BC）/（%）适中型026102030LRD（CA）/（%）适中型026102030表 2各指标对应的评分函数表指标评分函数BTDy=0.86x21.08x+99.43BVDy=33.67cos（11.76x）2.197sin（11.76x）+47.18cos（5.88x）50.64sin（5.88x）+80.69SDOBVy=100.61 525x292.98xCOy=100500 xTPOURy=99.492.22x3+13.33x242.50 xCDRy=1002xVOy=102.41+1.22x222.45xLRDy=98.780.006x3+0.36x28.80 x2基于改进熵权法的权重修正需要指出的是，单纯采用层次分析法进行权重计算会造成指标权重主观性太强，传统的客观赋权方法为熵权法，主要步骤分为构建数据矩阵、数据标准化、计算指标熵值、计算权重 4 步。但是，针对第三步中传统熵权法无法体现出指标之间熵值接近、反熵权法无法体现出熵值差异性的缺点，有学者提出一种改进熵权法19，主要在第三步计算完熵值后对第四步进行改进，改进公式如下：1011335.35035.35iiiiiHHHH）（niiiiHH1011）（nHkkiikHHHH11311，）（式中：i为指标 i 的权重的数值；Hi为指标 i 的熵值的数值；H为所有不为 1 的熵值平均值的数值。科技与创新Science and Technology&Innovation122023 年 第 18 期本文综合考虑指标权重计算的客观和主观因素，首先利用层次分析法计算评估指标的主权重，然后采用改进熵权法对指标权重进行修正，最终得到合理的指标综合权重。假设层次分析法得到的权重向量是s，可以求出经改进熵权法赋权修正后的指标综合权重i：ninigiisiigiisiii11，）（其中，gisigiigisisii、分别为第 i 个同级指标权重si与gi的相对重要程度。从以上的算法流程可以看出，该算法是以专家对各指标的权重经验值为基础，避免了主观设置分辨系数所造成的干扰，因此更加客观合理。3算例分析为了验证综合评价指标体系和评价模型对实际区域电网的评价效果，本文对苏州市轨道交通 3 号线控制中心和某一车站的通信不间断电源系统进行了评价分析。对 2020 年 1 月至 12 月的正式运营数据进行分析后，然后根据表 1 中的指标类型和评分指标设置，拟合指标函数，得到各指标的评分结果，如表 3 所示。表 3不间断供电系统综合评价指标基础数据一级指标二级指标地点控制中心车站电能质量评价指标VO6.683.46CO0.0440.040TPOUR3.043.52CDR040.03UPS 所带负荷评价指标LRD（AB）8.5320.62LRD（BC）2.9327.93LRD（CA）5.606.41蓄电池评价指标BVD0.1950.410SDOBV0.150.21BTD9.61410.4003.1指标权重计算过程根据上述权重计算方法，本文首先计算了主要指标的权重。A、B 和 C 分别代表 3 个主要指标：电能质量评价指标、UPS 负载评价指标和蓄电池评价指标。结合专家经验，确定指标之间的相对重要性，从而建立指标的判断矩阵，如表 4 所示。表 4一级指标两两比较结果指标ABCA11/71/5B713C51/31根据层次分析法的计算过程和公式，主观权重可以计算为si=（0.071 93，0.649 12，0.278 96），同样，可以计算出 CR 值为 0.062 30.1，满足一致性检验。由于层次分析法得到的权重完全受决策者主观因素的影响，本文采用改进的熵权法对指标权重进行修正。可以求出二级指标的权重向量gi=（0.232，0.506，0.262）。确定的各指标权重是一种典型的客观权重计算方法。由于该指标的实际数据可能存在一定的误差和准确性，本文综合考虑各种因素，按公式以 73 的比例计算综合权重。因此，根据计算指标综合权重的距离估计理论，可以得到修正后的指标综合权重i=（0.121，0.606，0.273）。以上是关于主要指标权重的计算过程，首先采用层次分析法确定指标的主观权重，然后采用改进的熵权法确定指标的综合权重，从而得到最终的指标综合权重。同理计算出二级指标的权重，以电能质量评价指标为例，如表 5 所示。表 5电能质量评价指标两两比较指标A1A2A3A4A11324A21/311/22A31/2212A41/41/21/21根据判断矩阵得到电能质量评价指标的权重向量Ai=（0.471，0.165，0.255，0.109），CR 值为 0.017 20.1，满足一致性检验要求。采用层次分析法和改进的熵权法计算各级指标的权重。具体结果如表 6 所示。表 6指标综合权重一级指标权重二级指标权重电能质量评价指标0.121VO0.471CO0.165TPOUR0.255CDR0.109UPS 所带负荷评价指标0.606LRD（AB）0.33LRD（BC）0.33LRD（CA）0.33蓄电池评价指标0.273BVD0.546SDOBV0.272BTD0.1823.2指标评分计算过程根据控制中心和车站评价指标的基础数据，结合评分指标函数，可以计算出各指标的得分，如表 7 所示。表 7不间断供电系统综合评估指标评分一级指标二级指标地点控制中心车站电能质量评价指标VO33.269.3CO75.680.0TPOUR31.319.3CDR100.019.9Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期13表 7（续）一级指标二级指标地点控制中心车站电能质量评价总分46.9952.93UPS 负荷评价指标LRD（AB）14.70LRD（BC）70.70LRD（CA）44.035.9UPS 负荷评价总分43.1311.97蓄电池评价指标BVD61.219.9SDOBV60.036.0BTD8.20蓄电池评价总分51.2320.66总分45.8119.30根据表 7 中综合评分结果，控制中心不间断电源系统综合评分较高。然而，如果仅考虑一级指标电能质量，控制中心的电能质量得分为 46.99，而车站的电能质量得分为 52.93，则会得出车站运行状态与控制中心运行状态几乎相同的片面结论。根据本文提出的综合评价体系，我们可以看到不同地点在各个方面的优缺点，得出的结论比只看一个方面更全面。因此，建立不间断电源系统的综合评价体系十分必要。根据对指标的进一步分析，从电能质量的角度来看，控制中心与车站的频偏范围相同，但其他指标差异较大，因为控制中心的总负荷和单负荷较大，由于监控等原因，负荷变化相对频繁。从 UPS 承载的负荷来看，车站整体明显优于控制中心。通过具体分析发现，本站 AB、BC 相负荷的实际平均运行功率与额定功率之比大致相同，而综合监控系统在本站负荷运行中的功率与设计之初相差较大，因此，每个阶段的负载率是非常不同的。从电池的使用来看，控制中心优于车站，这可能是由于 UPS 三相负载不平衡率低造成的。综上所述，通过对所提出的综合评价体系的分析，可以得出 UPS 运行中存在的问题，对 UPS 的优化以及后续其他地铁线路通信 UPS 的设计具有指导意义。4结束语本文建立了城市轨道交通弱电不间断供电系统综合评价体系，基于层次分析法从电能质量、负荷和蓄电池 3 个方面进行了合理有效的评价。针对层次分析法的主观缺陷，采用改进的熵权法对权重计算进行改进。从苏州地铁 3 号线通信弱电系统 UPS 的计算实例来看，本文的评估结果更全面，权重设置更合理。通过对评估系统的分析，可以发现，通信系统中控制中心的大负荷和频繁波动导致整体电能质量下降；然而，站内部分负荷的实际运行功率与设计之初的整定值存在较大差距，导致 UPS 三相负荷严重失衡。通过对所提出的综合评价体系的分析，可以得出 UPS 运行中存在的问题，从而延长设备的使用寿命，降低运行维护成本。参考文献：1MOURA P，NUTTAII C，HARRISON B，et al.Energysavings potential of uninterruptible power supplies inEuropean UnionJ.Energy efficiency，2016，9（5）：993-1013.2修志刚，张慧康，李海林，等.UPS 电池容量计算方法J.现代建筑电气，2013，4（11）：4-7.3张文涧.城市轨道交通弱电系统电源建设及运营管理问题探讨J.机电工程技术，2013，42（7）：183-186.4KRACHANGCHAENG N，PO-NGAM S.The three-levelsine-wave inverter with power factor correction（PFC）J.Applied mechanics and materials，2015，781：402-405.5赵文翰，蒲琪，樊茜琪，等.城市轨道交通运营管理评价指标体系研究J.城市轨道交通研究，2018，21（3）：52-55.6王国富，张立峰，刘海东.济南轨道交通 R1 线弱电系统不间断电源建设方案探讨J.城市轨道交通研究，2017，20（12）：108-112.7缪巍巍，吴海洋，施健，等.通信蓄电池健康度综合评价方法研究J.计算机与数字工程，2020，48（4）：251-256.8杨家全，凌万水，王科龙，等.配电终端 VRLA 蓄电池健康状态评价方法研究与实现J.电子器件，2018，41（3）：672-678.9李志杰，陈吉清，兰凤崇，等.机械外力下动力电池包的系统安全性分析与评价J.机械工程学报，2019，55（12）：137-148.10陈汉武，陈欣麟，窦贤云，等.层次分析法在电池供应商评价体系的应用J.蓄电池，2021，58（1）：23-26.11陈炽野，文亚凤，刘自发，等.含有多种分布式电源的配电网综合评估方法J.电力建设，2015，36（1）：128-135.12高伯阳，蔡晖，吴熙，等.线间潮流控制器应用评估策略研究J.电测与仪表，2022，59（9）：53-62.13DING X，CHONG X，BAO Z，et al.Fuzzy comprehensiveassessment method 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